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Sie wandeln Sonnenenergie überraschend effizient in Strom um, und das, obwohl sie mit Verunreinigungen und Defekten übersät sind: in einer Lösung hergestellte Blei-Halogenid-Perowskite. In einer kürzlich in Nature Communications veröffentlichten Studie präsentieren Physiker des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) eine umfassende Erklärung für den Mechanismus hinter der Effizienz von Perowskiten, der Forscher:innen seit langem verblüffte.
Wie kann ein mit minimalem Aufwand hergestelltes Gerät mit modernster Technologie konkurrieren, die über Jahrzehnte hinweg perfektioniert wurde? In den letzten 15 Jahren hat die Materialforschung den Aufstieg von Perowskiten auf Bleihalogenid-Basis als vielversprechende Materialien für Solarzellen der nächsten Generation erlebt. Das Rätsel besteht darin, dass Perowskit-Solarzellen trotz ähnlicher Leistung mit kostengünstigen lösungsbasierten Techniken hergestellt werden, während die branchenüblichen Siliziumzellen hochreine, dünne Scheiben aus einem einzelnen Kristall erfordern.
Nun haben Postdoc Dmytro Rak und Assistenzprofessor Zhanybek Alpichshev vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) den Mechanismus hinter den einzigartigen photovoltaischen Eigenschaften von Perowskiten aufgedeckt. Ihre wichtigste Erkenntnis ist, dass – während bei der Silizium-basierte Technologie Verunreinigungen unbedingt zu vermeiden sind – es in Perowskiten eben genau das natürliche Netzwerk struktureller Defekte ist, das den für eine effiziente photovoltaische Energiegewinnung notwendigen Langstreckentransport von Ladungen ermöglicht. „Unsere Arbeit liefert die erste physikalische Erklärung für diese Materialien und berücksichtigt dabei die meisten – wenn nicht sogar alle – ihrer dokumentierten Eigenschaften“, sagt Rak. Die Ergebnisse könnten Perowskit-basierten Solarzellen der nächsten Generation den Weg vom Labor hinaus zur praktischen Anwendung ebnen.
Perowskite: Von der Vergessenheit ins Rampenlicht
Als Blei-Halogenid-Perowskite bezeichnet man eine Gruppe von Verbindungen, die in den 1970er Jahren entdeckt wurden. Sie wurden aufgrund ihrer oberflächlichen strukturellen Ähnlichkeit mit Perowskiten benannt, einer großen Familie von Oxidverbindungen, die in der Materialwissenschaft eine wichtige Rolle spielen. Abgesehen von ihrer bemerkenswerten Fähigkeit, stabile hybride organisch-anorganische Kristallstrukturen zu bilden, stießen Blei-Halogenid-Perowskite jedoch zunächst nicht auf großes Interesse. Nach einer Standardcharakterisierung wurden sie katalogisiert und weitgehend vergessen.
Anfang der 2010er Jahre stellten Forschende jedoch fest, dass diese Materialien eine außergewöhnliche photovoltaische Leistung aufweisen. Perowskite erwiesen sich auch als hervorragende Materialien für LEDs sowie für die Röntgendetektion und -bildgebung. „Darüber hinaus weisen diese Materialien erstaunliche Quanteneigenschaften auf, wie beispielsweise Quantenkohärenz bei Raumtemperatur“, erklärt Alpichshev, dessen Gruppe am ISTA komplexe physikalische Phänomene der kondensierten Materie in komplexen Materialien untersucht.
Grundlegend unterschiedliche Solarzellentechnologien
Eine effiziente Solarzelle muss einfallendes Licht absorbieren und es effektiv in Ladungen umwandeln – in ein negativ geladenes Elektron und ein positiv geladenes „Loch“. Diese Ladungen müssen dann an den Solarzellen-Elektroden gesammelt werden, um nutzbaren Strom zu erzeugen. Hier liegt die Herausforderung: Die Ladungen müssen Hunderte von Mikrometern zurücklegen – für einen Menschen entspräche das Hunderten von Kilometern –, ohne unterwegs eingefangen zu werden.
Bei der Silizium-basierten Technologie wird dieses Problem gelöst, indem das Medium zur Sonnenenergiegewinnung nahezu frei von Defekten ist, die Ladungen einfangen könnten, bevor sie die Sammel-Elektroden erreichen. Das Ungewöhnliche an Perowskit-Bauelementen ist, dass sie, da sie in Lösung hergestellt werden, voller Defekte sind. Wie können Ladungen in einer solchen Umgebung lange Strecken zurücklegen, um als nutzbarer Strom gewonnen zu werden? Und warum bleiben sie sogar lange genug bestehen, um dies zu tun?
Von der Hypothese zum Bild: Silber-„Angiographie“
Es gibt eindeutige Hinweise darauf, dass Elektronen und Löcher in Perowskiten, sobald sie einen gebundenen Zustand – ein Exziton – bilden, sehr schnell verschmelzen. Angesichts dessen wird die Beobachtung, dass Elektronen und Löcher innerhalb der Materialien über längere Zeiträume getrennt bleiben, noch rätselhafter. Um dieses offensichtliche Paradoxon zu erklären, vermuteten die ISTA-Forscher, dass unbekannte innere Kräfte innerhalb der Perowskite die entstehenden Elektron-Loch-Paare auseinanderreißen und ihre Rekombination verhindern müssen.
Um diese Hypothese zu überprüfen, führte das Team mit Hilfe nichtlinearer optischer Methoden Elektronen und Löcher tief in das Innere einer Perowskitprobe ein. Auf diese Weise konnten sie jedes Mal, wenn ein neuer Teil der Elektronen und Löcher eingeführt wurde, einen endlichen Strom feststellen, der genau in die gleiche Richtung im Material floss – selbst ohne angelegte Spannung. „Diese Beobachtung zeigte eindeutig, dass selbst tief im Inneren von unmodifizierten, gewachsenen Perowskit-Einkristallen interne Kräfte wirken, die entgegengesetzte Ladungen voneinander trennen“, sagt Alpichshev.
Frühere Charakterisierungen von Perowskiten hatten jedoch ergeben, dass ein solches Verhalten mit ihrer intrinsischen Kristallstruktur unvereinbar sei. Um diesen Widerspruch aufzulösen, stellten die ISTA-Forscher die Hypothese auf, dass die Ladungstrennung nicht gleichmäßig über die Probe verteilt ist, sondern an sogenannten „Domänenwänden“ auftritt – Stellen mit veränderter Struktur, die mikroskopische Netzwerke bilden, die sich über die gesamte Probe erstrecken.
Aber wie konnte diese Vermutung bestätigt werden? Wie lassen sich solche Domänenwand-Netzwerke tief im Inneren des Volumens sichtbar machen, da die meisten lokalen Sonden nur auf die Oberfläche reagieren, wo die Eigenschaften erheblich variieren können?
Um diese Herausforderung zu meistern, griff Rak auf seine Ausbildung als Chemiker zurück. Da Perowskite auch gute Ionenleiter sind, wollte er wissen, ob die Einführung einiger „Marker“-Ionen dazu verwendet werden könnte, um die Domänenwände ohne Zerstörung hervorzuheben. Um dies herauszufinden, entwickelte Rak eine neue elektrochemische Färbetechnik, um die Domänenwandstruktur des Materials sichtbar zu machen. Er ließ Silberionen in den Perowskitkristall diffundieren, wo sie sich bevorzugt an Domänenwänden ansammelten. Die Ionen wurden dann elektrochemisch in metallisches Silber umgewandelt, wodurch die Wissenschafter das Netzwerk, das sich durch die gesamte Tiefe der Materialien zieht, unter dem Mikroskop direkt sichtbar machen konnten. „Diese qualitative Technik, die am ISTA erfunden und implementiert wurde, ähnelt der Angiographie in lebendem Gewebe – nur dass wir die Mikrostruktur eines Kristalls untersuchen“, sagt Alpichshev.
Autobahnen für Elektronen
Laut Rak war die Erkenntnis, dass sich ein natürliches Netzwerk aus ladungstrennenden Domänenwänden dicht über den gesamten Volumenanteil von Perowskiten erstreckt, ein entscheidender Durchbruch. Er erklärt: „Wenn ein Elektron-Loch-Paar in der Nähe einer Domänenwand entsteht, zieht das lokale elektrische Feld das Elektron und das Loch auseinander und platziert sie auf gegenüberliegenden Seiten der Wand. Da sie sich nicht sofort wieder verbinden können, können sie entlang der Domänenwände driften, was auf der Zeitskala eines Ladungsträgers wie eine Ewigkeit erscheint, und lange Strecken zurücklegen.“ So demonstrierte das Team die Existenz von sogenannten „Autobahnen für Ladungsträger“ innerhalb von Perowskiten. Dies erklärt die bemerkenswerten Ladungstransport-Eigenschaften, die Perowskite für die Energiegewinnung so effektiv machen.
Die Studienautoren betonen, dass die vorliegende Arbeit die erste umfassende und kohärente physikalische Erklärung für Perowskite liefert. „Mit diesem umfassenden Bild können wir endlich viele zuvor widersprüchliche Beobachtungen über Blei-Halogenid-Perowskite in Einklang bringen und eine langjährige Debatte über die Quelle ihrer überlegenen Energiegewinnungseffizienz beenden“, sagt Rak.
Bislang konzentrierte sich die Forschung hauptsächlich auf die Anpassung der chemischen Zusammensetzung von Perowskiten, allerdings mit begrenztem Erfolg. Nun könnten die Ergebnisse des ISTA-Teams Forscher:innen dabei helfen, Perowskite so zu entwickeln, dass ihre Effizienz gesteigert wird, ohne ihren kostengünstigen Herstellungsprozess zu beeinträchtigen – und damit die nächste Generation von Solarzellen einzuläuten.
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Projektförderung:
Diese Forschung wurde von den Scientific Service Units (SSU) der ISTA durch Ressourcen unterstützt, die von der Imaging & Optics Facility (IOF) und der Miba Machine Shop Facility (MS) bereitgestellt wurden.
Dmytro Rak, Dusan Lorenc, Daniel M. Balazs, Ayan A. Zhumekenov, Osman M. Bakr, and Zhanybek Alpichshev. 2026. Flexoelectric domain walls enable charge separation and transport in cubic perovskites. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-026-68660-5
https://www.doi.org/10.1038/s41467-026-68660-5
https://ista.ac.at/de/forschung/alpichshev-gruppe/ Forschungsgruppe "Kondensierte Materie und ultraschnelle Optik" am ISTA
ISTA-Physiker erklären die außergewöhnliche Energieausbeute von Perowskiten. Assistenzprofessor Zhan ...
Copyright: © ISTA
Autobahnen für Elektronen im Inneren eines Blei-Halogenid-Perowskit-Kristalls. Dieses natürliche Net ...
Copyright: © Dmytro Rak/Alpichshev Gruppe/ISTA
Eine Kristallprobe aus Blei-Halogenid-Perowskit.
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten
Chemie, Energie, Maschinenbau, Physik / Astronomie, Werkstoffwissenschaften
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
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